3.3. Пневматические элементарные преобразования

В пневматике используется унифицированный сигнал – давление сжатого воздуха в диапазоне от 0,2·10⁵ до 1,0·10⁵ Па. Все многочисленные устройства пневматики состоят из небольшого числа элементов. Действие этих элементов в статике и в динамике различное.

Движение воздуха по трубкам, через камеры и другие элементы сопровождается трением его о стенки, внезапными сужениями, расширениями и поворотами потока. Величина пневматического сопротивления любого элемента является постоянной лишь при ламинарном режиме движения. С увеличением скорости возникает турбулентный режим движения, при котором воздух движется с завихрениями и перемешивается.

В пневматике пневматическое сопротивление создается специальными устройствами – пневматическими резисторами, или дросселями.

Рис. 31. Постоянные дроссели: а – турбулентный, б – ламинарный

В зависимости от назначения дроссели разделяют на постоянные и переменные.

По характеру движения воздуха постоянные дроссели делят на турбулентные и ламинарные. Турбулентные дроссели (рис. 31, а) обычно выполняют в виде жиклеров – каналов с малым отношением длины к диаметру, а ламинарные (рис. 31, б) в виде капилляров – каналов с большим отношением длины к диаметру.

Наиболее распространенные конструкции переменных дросселей показаны на рис. 32. На рис. 32, а представлен переменный дроссель типа цилиндр-конус.

Рис. 32. Переменные дроссели: а – цилиндр-конус, б – поршень-канавка, в – сопло-заслонка; 1 – втулка, 2 – конус, 3 – канавка, 4 – поршень, 5 – сопло, 6 – заслонка

На рис. 32, б изображен переменный дроссель типа поршень-канавка. На рис. 32, в показан переменный дроссель типа сопло-заслонка.

Рис. 33. Делитель давления

Пневматические дроссели применяются в схемах делителей давления. Схема делителя, приведенная на рис. 33, часто называется дроссельным сумматором.

Устройство и принцип действия элементарных пневматических преобразователей приведены в табл. 4.

Таблица 4

Элементарный преобразователь	Входной сигнал	Выходной сигнал
Мембрана	Давление	Сила
Трубчатая пружина	»	Линейное перемещение
Сильфон	»	Сила или линейное перемещение
Сопло-заслонка	Линейное перемещение	Давление

Мембрана. Это зажатый между фланцами гофрированный диск, чаще всего из прорезиненной ткани, с жестким диском в центре (рис. 34). Мембрана преобразует давление в силу.

Для преобразования давления сжатого воздуха в линейное перемещение или силу служат также трубчатые пружины и сильфоны.

Трубчатая пружина. Представляет собой согнутую в виде дуги трубку овального сечения (рис. 35). Один конец трубки запаян, а в другой, укрепленный неподвижно, подается измеряемое давление. Под действием давления трубка стремится распрямиться, вследствие чего ее свободный запаянный конец перемещается.

Рис. 34. Мембрана

Рис. 35. Трубчатая пружина

Сильфон. Это гофрированная трубка, один конец которой закрыт, а к другому подводится давление р; (рис. 36). Под действием давления сильфон растягивается. Если перемещению дна сильфона препятствует неподвижная опора, то выходным сигналом сильфона является не перемещение, а сила, действующая на опору.

Преобразователь сопло-заслонка. Для преобразования линейного перемещения в давление сжатого воздуха применяют переменный дроссель типа сопло-заслонка в сочетании с постоянным дросселем (рис. 37, а). Постоянный дроссель R₁ вместе с переменным дросселем сопло-заслонка R₂ образует делитель давления.

Рис. 36. Сильфон

Рис. 37. Преобразователь сопло-заслонка: а – устройство, б – статическая характеристика

4. Классификация первичных преобразователей.

Первичным преобразователем (ПП) перемещения называется устройство, воспринимающее контролируемое входное перемещение (линейное или угловое) и преобразующее его в выходной сигнал (как правило, электрический), удобный для дальнейшей обработки, преобразования и, если это необходимо, передачи по каналу связи на большие расстояния.

Основные требования, которые предъявляются при разработке и конструировании к ПП перемещений: высокая точность измерения (или контроля) перемещений, быстродействие, надежность, помехоустойчивость информативного параметра, малые нелинейные искажения и т.д Наряду с отмеченными предъявляются и такие требования, как высокая технологичность, небольшая стоимость, малые теплоотдача, габариты, масса и пр.

По характеру измеряемых процессов различают ПП линейных и угловых перемещений.

По физическому принципу действия чувствительного элемента все существующие ПП можно разделить на фотоэлектрические; электростатические: емкостные и пьезоэлектрические; электромагнитные; электроакустические; электромеханические электроконтактные, реостатные и механотронные.

Электростатические, в частности емкостные, ПП обладают высокой чувствительностью и добротностью, малой нелинейностью характеристики, малыми тепловыми потерями. Однако широкое распространение емкостных ПП ограничено большим выходным сопротивлением, необходимостью в жесткой герметизации, трудностью исключения влияния паразитных емкостей

Электромагнитные индуктивные ПП уступают емкостным по чувствительности и линейности характеристики, но превосходят их по выходной мощности, помехоустойчивости, надежности. Достоинствами электромеханических электроконтактных ПП являются простота конструкции, большие мощность и амплитуда выходных сигналов.

Фотоэлектрические ПП имеют в настоящее время наибольшую точность среди существующих преобразователей, обладают наивысшей разрешающей способностью, отличаются высокой чувствительностью и быстродействием, простотой и надежностью конструкции, малыми габаритами и массой, отсутствием механической связи с контролируемым объектом, малой инерционностью, возможностью дистанционного измерения и контроля практически без измерительного усилия. К недостаткам фотоэлектрических ПП следует отнести чувствительность к посторонним источникам излучения, недостаточную стабильность и надежность

По структуре построения различают три основные структурные схемы: с последовательным преобразованием, дифференциальные и компенсационные (рис. 38).

Схема ПП с последовательным преобразованием достаточно проста и надежна, однако она обладает существенными недостатками (наличием не скомпенсированных погрешностей), и, следовательно, низкой точностью.

Дифференциальные ПП обладают более высокой точностью, большей линейностью характеристики управления и более высокой чувствительностью.

Компенсационные ПП построены на принципе автоматического уравновешивания измеряемой величины компенсирующей величиной того же рода рис. 38.

Рис. 38

В компенсационных ПП происходит компенсация мультипликативных погрешностей, связанных с нестабильностью характеристик звеньев, охваченных отрицательной обратной связью. При этом точность измерения в основном определяется стабильностью работы звена обратной связи, входного и выходного элементов схемы.

По характеру изменения во времени выходного сигнала различают ПП непрерывного и дискретного действия.

В зависимости от вида параметра выходного сигнала, находящегося в линейной зависимости от измеряемого перемещения, ПП непрерывного действия разделяются на амплитудные, частотные и фазовые. Соответственно ПП дискретного действия могут быть амплитудно-импульсными, частотно-импульсными, время-импульсными, число-импульсными, кодоимпульсными и др.

Амплитудные и амплитудно-импульсные ПП обладают наибольшей простотой конструкции и электронной схемы, высокой надежностью и достаточным быстродействием, могут быть как генераторными, так и параметрическими. Общим недостатком амплитудных ПП является их низкая помехозащищенность.

Частотные, фазовые и соответственно частотно-импульсные и времяимпульсные ПП обладают более высокой точностью, линейностью характеристики управления, быстродействием, но меньшей надежностью по сравнению с амплитудными ПП. При этом контактные и емкостные ПП характеризуются большой простотой изготовления, но обладают известными недостатками: контактные — малой надежностью, ограниченной выходной частотой и небольшим сроком службы; емкостные — малым выходным сигналом и влиянием емкости монтажа на частоту выходного сигнала. Индуктивные ПП обычно характеризуются высокой надежностью и большим сроком службы, но обеспечивают невысокую частоту выходного сигнала, ограниченную наличием переходных процессов. Здесь следует отметить, что практически неограниченной выходной частотой и очень малым нагрузочным моментом обладают фотоэлектрические ПП. Однако они отличаются определенной сложностью конструкции и эксплуатации.

Фазовые и фазоимпульсные ПП обладают наивысшей точностью, высокими разрешающей способностью, быстродействием и надежностью, наибольшей помехоустойчивостью

Классификационная схема, представленная в табл. 5 включает в себя практически все известные типы первичных преобразователей перемещения.

Таблица 5